[发明专利]GPU并行光线跟踪集群的绘制任务动态均衡分配方法

说明书

本发明公开一种GPU并行光线跟踪集群的绘制任务动态均衡分配方法。本方法在绘制第一帧画面时，假定各个像素分块的绘制时间开销相同，并据此为各个绘制结点计算机分配像素分块；然而从绘制第二帧画面开始，本发明用绘制前一帧画面时统计的各个像素分块的绘制时间开销作为依据来重新为各个绘制结点计算机分配像素分块；从绘制第二帧画面开始，本发明在为各个绘制结点计算机分配像素分块时，能保证各个绘制结点计算机分得的所有像素分块的总绘制时间近似相等，从而实现近似均衡的GPU并行光线跟踪集群绘制任务的分配，以便最大限度地发挥各个绘制结点计算机的计算潜力。

技术领域

本发明属于虚拟三维场景绘制技术领域，涉及一种GPU并行光线跟踪集群的绘制任务动态均衡分配方法。

背景技术

光线跟踪已经被广泛应用在三维场景绘制之中。为了减少三维场景的光线跟踪绘制时间开销，可以利用并行计算技术来对光线跟踪进行加速。当前，人们已经普遍使用GPU实现并行化光线跟踪，显著地缩短了光线跟踪计算时间。如果把多个GPU计算结点通过网络连接起来构成GPU计算集群，则可以利用结点间并行来进一步地提高光线跟踪绘制的速度。对于需要交互的三维场景绘制应用，在利用GPU计算集群加速光线跟踪绘制时，必须使用良好的负载分配和均衡技术才能充分发掘各个GPU计算结点的潜能，避免部分GPU计算结点过于繁忙而部分GPU计算结点却闲等的问题。对光线跟踪任务进行分配的最直接方式是，对屏幕像素进行分块，为各个GPU计算结点分配不同的分块。通常在GPU上的光线跟踪程序使用英伟达公司的CUDA来编写。CUDA的并行计算模型实际上是数据并行模式。当多个CUDA线程访问的数据在空间上连续时，并行加速效果最好。具体地说，对于GPU上的光线跟踪，如果多个并行CUDA线程跟踪的光线传输路径非常接近，则在进行光线与几何对象的求交测试时，跟踪不同光线的各个线程访问的场景空间加速结构及几何对象数据也会是连续的，同时执行的各线程的指令序列分支路径也更可能相同。如果CUDA的同一个Warp的多个线程在遇到选择语句时会执行不同的选择分支，将导致该Warp的线程的并行度降低。因此，执行GPU光线跟踪任务时，最好使同时并行跟踪的多条光线对应的像素尽量临近，从而尽量保证这些光线按照大致相同的方向传输。从这个意义上说，对屏幕像素按正方形分块通常要比按长方形分块更好。对于动态场景，前后连续的两帧画面之间通常具有很好的相关性，因此可以用前一帧画面的绘制时间开销统计结果来预估后一帧画面的绘制时间开销。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种GPU并行光线跟踪集群的绘制任务动态均衡分配方法，实现均衡地为GPU并行光线跟踪集群的各个绘制结点计算机分配绘制任务。

本发明的技术方案是这样实现的：一种GPU并行光线跟踪集群的绘制任务动态均衡分配方法，其特征在于：要使用的GPU并行光线跟踪集群由1个控制结点计算机和n个绘制结点计算机通过网络交换机相互连接在一起构成，其中n是大于1的整数，各个绘制结点计算机具有相同的软硬件配置，都配置有GPU并行计算单元。本方法首先在控制结点计算机上对三维场景画面像素矩阵进行分块并对每个分块进行编号。图1所示为对三维场景画面像素矩阵进行分块的示意图，除最后一列或者最后一行外，其他每个分块都包含相同的像素行数和相同的像素列数。本方法根据上一帧画面绘制时间开销来对绘制下一帧画面时各个绘制结点计算机的任务进行动态的近似均衡分配，即为各个绘制结点计算机分配若干像素分块，使各个绘制结点计算机分得的像素分块的总绘制时间开销近似相等。本方法所需的数据结构和具体实现步骤如下：

提供一种数据结构PIXBLOCK，用于存储像素分块信息，数据结构PIXBLOCK包含像素分块的编号NO、像素分块的起始行号RowS、像素分块的结束行号RowE、像素分块的起始列号ColS、像素分块的结束列号ColE、像素分块的绘制时间开销COST共六个成员变量。

1)本方法的第一部分实现三维场景画面像素矩阵的分块，并把划分参数保存在GPU并行光线跟踪集群的控制结点计算机上，具体实现步骤如下：